Spalter vann med sollys

Et internasjonalt forskerteam etterlikner planters fotosyntese for å spalte vann til hydrogen og oksygen ved hjelp av sollys.

Publisert
"Å spalte vann for å utvinne hydrogen har til nå vært svært energikrevende. Australske forskere mener de kan ha funnet løsningen ved å etterlikne plantenes fotosynteseprosesser. (Illustrasjonsfoto: www.colourbox.no)"
"Å spalte vann for å utvinne hydrogen har til nå vært svært energikrevende. Australske forskere mener de kan ha funnet løsningen ved å etterlikne plantenes fotosynteseprosesser. (Illustrasjonsfoto: www.colourbox.no)"

Et nytt system for utvinning av hydrogen bruker en tynn film som kan dekkes med en type mangan – et stoff som er sentralt i plantenes fotosynteseprosess.

Det er utviklet av professor Leone Spiccia og hans kollegaer ved Monash University, sammen med forskere fra Princeton University og Australian Commonwealth Scientific and Industrial Organisation (CSIRO).

De mener dette kan revolusjonere fornybar energi ved å gjøre det enklere og billigere å lage hydrogen til kommersielt bruk. Hydrogen ses på som en av de mest sannsynlige arvtagerne til olje i en grønn og miljøvennlig fremtid.

Forskningsresultatene publiseres i augustnummeret av journalen Angewandte Chemie.

− Som fotosyntese

I følge studien er det å produsere en effektiv katalysator som kan spalte vann til hydrogen og oksygen en av de største utfordringene vi står ovenfor, når det kommer til det å lage fornybart drivstoff.

Det eneste naturlige systemet som kan gjøre dette finnes hos planter, som kan spalte vann ved hjelp av sollys. I følge forskerne må vi derfor se mot naturen i vår jakt på miljøvennlige alternativer til fossilt brennstoff.

- Det som skiller vår teknologi fra andre er manganen, et kubisk molekyl som likner på det du finner i fotosyntese hos planter.

- Vi har klart å stabilisere dette molekylet i et polymermembran, og når vi utsetter det for spenning og sollys, så danner vi oksygen, hydrogenioner og elektroner, sier Spiccia til forskning.no. 

Klimaproblematikken ennå ikke løst

Hydrogen er et av de mest energirike drivstoffene vi kjenner til. En kilo hydrogen inneholder nesten tre ganger så mye energi som en kilo bensin. Derfor blir hydrogen brukt som drivstoff i blant annet raketter og romferger.

I dag produseres det meste av hydrogenet ved reformering av naturgass som også inneholder bundet hydrogen.

Men denne formen for utvinning, hvor man bruker elektrolyse for å få ut hydrogenet, krever store mengder elektrisitet, og resulterer i utslipp av klimagasser.

"Hydrogendrivstoff har ingen skadelige utslipp - bare vann eller vanndamp. (Illustrasjonsfoto: www.colourbox.no)"
"Hydrogendrivstoff har ingen skadelige utslipp - bare vann eller vanndamp. (Illustrasjonsfoto: www.colourbox.no)"

- Og da har man jo hele karbonproblematikken med seg, da metanmolekylet i naturgassen blir til karbondioksid, sier Steffen Møller-Holst til forskning.no.

Han er seniorforsker ved SINTEF og leder av Hydrogenrådet, myndighetenes strategiske råd for hydrogensatsing.

En vanlig innvending mot hydrogen som drivstoff er at det krever for mye energi å produsere.

Hydrogen, i motsetning til olje, finnes ikke i naturen, selv om det er det stoffet det finnes mest av i universet.

Hydrogen er ikke en energikilde, men en energibærer, som et batteri. Vi må derfor fremstille det fra hydrogenholdige råvarer som gass eller vann.

- Hvis man skal få til det store gjennombruddet med hydrogen så må det baseres på fornybare kilder, sier Møller-Holst.

EUs ambisiøse hydrogenmål

Som brennstoff har hydrogen bare vann som utslipp, og hydrogen kan brukes både i kjøretøy og i kraft- og varmeløsninger. EU har som mål å erstatte fem prosent av fossilt brennstoff med hydrogen innen 2020.

- Dette skulle ikke være noe problem. Det er enormt mye forskning på dette området i dag og vi har allerede mange teknologier som kan brukes. Hovedfokuset nå er nå på en mer effektiv utvinning, sier Spiccia.

Møller-Holst er enig i at EUs mål skal være mulig, men mener at det står på politisk vilje, ikke teknologiske framskritt.

- Jo mer miljøperspektivet gjennomsyrer politikken, jo mer sannsynlig er det at man får det gjennombruddet. Jeg tror at det kan være mulig, men det er et enormt volum av hydrogen vi snakker om her, sier han.

- Rekkevidden er nå konkurransedyktig

Møller-Holst forteller at flere bilprodusenter allerede har eksperimentert med brenselceller som går på hydrogen, og bilenes rekkevidde er nå på et brukbart nivå. Norske selskaper, som Raufoss Fuel Systems, er blant verdens ledende i hydrogenlagring.

- Man har allerede norskleverte hydrogentanker med komprimert gass hvor du kan fylle med 700 bars trykk. Da kan du få slike rekkevidder som den siste Toyotamodellen har, på over 800 kilometer på en tank før du må fylle på mer hydrogen.

"Toyota Prius, med en hybridmotor som bruker bensin og elektrisitet, har solgt svært godt på verdensbasis. Den nyutviklede hydrogenbilen FCHV-adv har en rekkevidde på over 800 kilometer og skal være tilgjengelig i Japan allerede senere i år. (Illustrasjonsfoto: www.colourbox.no)"
"Toyota Prius, med en hybridmotor som bruker bensin og elektrisitet, har solgt svært godt på verdensbasis. Den nyutviklede hydrogenbilen FCHV-adv har en rekkevidde på over 800 kilometer og skal være tilgjengelig i Japan allerede senere i år. (Illustrasjonsfoto: www.colourbox.no)"

- Svært dyre brenselceller

Hovedproblemet med hydrogen nå, i følge Møller-Holst, er å produsere brenselceller som er konkurransedyktige på pris.

Fordi de brenselcellene som brukes i dag er basert på edle metaller som platina, er de minst ti til tyve ganger for dyre for kommersielt bruk, sier han.

- Det er vanskelig å se for seg at vi kan bruke de materialene vi bruker i dag og samtidig få kostnadene ned på et fornuftig nivå.

- Derfor må vi få til å lage brenselceller som lages av mye, mye billigere materialer før vi kan få til et gjennombrudd. Men det arbeides i stor stil med dette her, sier Møller-Holst.

- Like farlig som bensin og diesel

Sikkerheten har også tradisjonelt vært en innvending mot bruken av hydrogen. Siden det tyske luftskipet Hindenburg eksploderte i 1937 og drepte 36 mennesker, har det vært frykt forbundet med bruken av denne gassen til transport.

Hydrogen, under standard trykk og vanlig temperatur, er en luktfri, fargeløs og ekstremt brennbar gass. I tillegg må hydrogen transporteres under svært høyt trykk hvis man skal ha en konkurransedyktig rekkevidde på kjøretøyene.

Men Møller-Holst sier at man er veldig oppmerksom på sikkerhetsproblematikken rundt hydrogen, og at sikkerhetskravene ved en innføring av hydrogenbiler vil være mye strengere enn det var da bensin og diesel først ble tatt i bruk.

- Det er ikke ufarlig å kjøre med hydrogen, men det er heller ikke ufarlig å kjøre med diesel eller bensin.

- Hydrogen oppfører seg helt annerledes enn det vi er vant til når det gjelder drivstoff. For det er en gass, og ikke en væske, sier Møller-Holst.

- Ennå et stykke igjen

Spiccia forteller at det ennå er et stykke igjen før den kunstige fotosyntesen er effektiv nok til kommersiell utvinning av hydrogen.

Forskerne jobber nå med å få systemet til å bli enda mer likt naturens egen spalting av vann.

- Det vi driver med nå er å prøve å få denne manganfilmen til å fange opp sollyset bedre, slik at prosessen blir mer effektiv. Og så vil vi prøve å drive hele systemet uten å tilføre noen ekstern elektrisitet, ved å bruke klorofyll.

Referanse:

Leone Spiccia et al., Sustained Water Oxidation Photocatalysis by a Bioinspired Manganese Cluster, Angewandte Chemie International Edition, Iss. 47, 2008

Lenker:

Pressemelding fra Monash University: Monash team learns from nature to split water

Hjemmesiden til professor Leone Spiccia ved Monash University